Исследование отложений копоти

Комплект оборудования для исследования отложения копоти «Копоть» предназначен для выявления очаговых признаков пожара и путей распространения горения путем исследования отложения копоти на конструкциях и предметах (Рис. 5).

Предлагаемая методика позволяет исследовать закопчения непосредственно на месте пожара и, таким образом, выявлять пути распространения основных конвективных потоков и очаговую зону. Чем более интенсивным будет горение, тем большая часть зольного остатка горящего материала может перейти в дисперсную фазу дыма и осесть на конструкциях в составе копоти. На пожаре частицы сажи движутся в сторону понижения температуры. Поэтому, если частицы находятся между холодной и тёплой поверхностями они двигаются к холодной и осаждаются на ней.

Известно, что копоть на пожаре выгорает при нагреве поверхности конструкций выше 600-650°С. Поэтому ближе к очагу копоти иногда может быть меньше, чем вдали от него. Локальное выгорание копоти - хороший ориентир при поисках очага пожара. Однако если копоть не выгорела и сплошь, относительно равномерно, покрывает конструкции, ориентироваться в поисках очага пожара и путей распространения горения без специальных инструментальных методов становиться практически невозможно.

В данной методике в качестве такого экспресс-метода предполагается использовать измерение электросопротивления слоя копоти.

Электросопротивление слоев копоти постоянному току существенно зависит от условий ее образования (в частности, температуры в зоне горения), а также температуры и длительности вторичного нагрева (отжига) в ходе пожара.

Для проведения измерений необходимо иметь:

- контактный щуп,

- прибор измерения электросопротивления, кабель, соединяющий контактный щуп и измеритель электросопротивления.

В качестве прибора измерения сопротивления использован измеритель терраомметр Е6-13А с пределом измерений 10¹⁴Ом.

Измерения электросопротивления слоя копоти проводятся на любых поверхностях материалов, обладающих диэлектрическими свойствами: бетоне, штукатурке, керамической плитке и т.д. Желательно проводить измерения электросопротивления на поверхностях одного типа. Если на поверхностях с осевшей копотью до пожара была какая-либо грязь, то под слоем копоти такая грязь выделяется в виде неровности на поверхности. Измерения электросопротивления на таких поверхностях проводить не следует.

При невозможности проведения измерений на одном типе поверхностей без грязи, измерения можно проводить на разных типах поверхностей и на загрязненных поверхностях, но в обязательном порядке это должно быть указано.

Зоны отсутствия копоти, образовавшиеся в результате смыва водой или отсутствия каких-либо предметов на месте, характеризуются резким увеличением значения электросопротивления, и оно соответствует элетросопротивлению зоны, проходящего в этом месте конвективного потока. При этом само пятно отсутствия копоти будет нарушать зону конвективного потока.

Зона же отсутствия копоти, образовавшаяся по причине выгорания, характеризуется плавным переходом от наименьшего значения электросопротивления к наибольшему, при этом от этой зоны будут отходить в одну или несколько сторон зоны прохождения конвективных потоком.

Зоны наибольшего прогрева конструкций характеризуются наименьшими значениями сопротивления слоя копоти электрическому току. Такие зоны возникают, прежде всего, над очагом пожара, если копоть не выгорела, и на путях распространения основных конвективных потоков от очага. Но в отдельных случаях, таким, же образом проявляют себя очаги горения, обусловленные сосредоточением пожарной нагрузки.

Зоны прохождения интенсивных конвективных потоков продуктов горения характеризуются постепенным увеличением электросопротивления копоти от очага горения в направлении вытяжных проемов. Электрическое сопротивление слоя копоти на периферийных участках вне этих зон существенно выше и может отличаться на один-два, а иногда и несколько порядков.

Алгоритм работы:

1. После выбора помещений и конструкций в них (потолок, стены и др.), имеющих наслоения копоти и подлежащих исследованию, должна быть нарисована схема для каждого помещения или другого объема, ограниченного стенами. Так, например, для двух смежных комнат строятся две схемы, каждая из которых включает поверхности, которые имеют слой копоти и подлежат исследованию. На каждую из схем наносят точки, в которых будут производиться измерения. Шаг между точками должен быть одинаков и зависит от размеров помещения и может колебаться от 0,2м до 2,0м. Точки должны быть пронумерованы.

2. В каждой точке необходимо делать не менее пяти измерений, каждый раз смещая контактный щуп на 2-3мм. Если измеренные в двух соседних точках значения сопротивления значительно отличаются друг от друга, следует наметить дополнительную точку (или 2-3 точки) в которых произвести необходимые измерения. Прижимать датчик для измерения электросопротивления необходимо до соприкосновения внешнего кольца с поверхностью. После каждого измерения контакты и площадку необходимо очищать от копоти марлевым тампоном, смоченным этиловым спиртом.

3. Полученные результаты измерения электрического сопротивления заносят в таблицу.

4. Построение карты (плана) зон распределения значений десятичных логарифмов среднего значения электросопротивления (изорезистивных зон) копоти (вручную или с помощью компьютерных программ, предназначенных для построения графического представления данных). Зоны наибольшего прогрева конструкций характеризуются наименьшими значениями сопротивления слоя копоти электрическому току.

ГЛАВА 3. МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ И СВОЙСТВА КОПОТИ

Горение на пожаре

Пожар - сложное и многообразное явление, развитие которого может происходить по различным сценариям, что обусловлено зависимостью про­цессов горения от структуры, химического состава, геометрических парамет­ров, взаимного расположения сгораемых веществ и материалов, их распреде­ления в объеме помещения, а также от размеров самого помещения и усло­вий воздухообмена.

При пожаре в помещении, например, в отсеке судна или номере гостиницы, насыщенном горючими материалами, куда поступление свежего воздуха практически не происходит, как правило, имеет место неполное горение. Оно сопровождается образованием большого количества разнообразных продуктов. Эти продукты по своему агрегатному состоянию могут быть жидкими, газообразными (парообразными) и твердыми. Многие из них токсичны, горючи и взрывоопасны.

В закрытом помещении горение может прекратиться из-за недостатка кислорода. При этом задымленность помещения может еще сохранятся весь­ма длительное время.

В случае открытых дверей и оконных проемов в зону пожара поступает неограниченное количество воздуха, и горение продолжается до полного выгорания пожарной нагрузки, если пожар не потушить.

Значительное количество пожаров начинаются с длительного периода тления, переходящего в пламенное горения при стечении благоприятствую­щих этому факторов. К таким факторам можно отнести наличие достаточно­го количества способного тлеть материала, ограниченный теплоотвод из зоны горения и аккумуляция тепла, наличие достаточной концентрации кислорода в воздухе.

Многие твердые горючие вещества, используемые для отделки помещений, разлагаются и полностью сгорают при воздействии на них высоких температур. Другие полимеры (реактопласты и материалы на основе целлюлозы) только частично деструктируют и в результате горения образуют богатый углеродом карбонизированный слой. В этом случае углерод реагирует с кислородом, диффундирующим на твердую поверхность. Реакция сопровождается выделением большого количества тепла и ярким свечением. Процесс этот относительно медленный. В результате такого горения, как правило, образуется коксовый остаток. Горение жидкостей и газов так же имеет свои особенности механизма горения.

Для понимания происходящих в условиях пожара процессов необходимо ясно представлять механизмы горения различных веществ.

Наиболее часто происходят пожары, на которых основной сгораемой нагрузкой являются твердые вещества, а именно - природные и синтетические полимеры.

При горении поверхность полимера нагревается излучательным тепло-переносом от пламени. В турбулентных условиях возможен также и конвективный теплоперенос.

Поглощение тепла полимером при излучении зависит от спектральных характеристик как полимера, так и источника радиации. Скорость нагрева определяется теплофизическими свойствами, условиями теплообмена с окружающей средой, а также размерами и формой исследуемых образцов.

Сложным и недостаточно изученным является вопрос о роли кислорода воздуха в процессе разложения полимеров при горении. Можно лишь утверждать, что усиление притока воздуха в зону горения приводит в конечном счете к увеличению температуры на поверхности горящего вещества. Соотношение вклада в процесс горения термической или термоокислительной деструкции в стадии газификации зависит от природы полимера, особенностей механизма разложения, температуры пиролиза, определяемой температурой поверхности горящего материала, т.е. от условий горения. Эти же факторы определяют и природу летучих продуктов.

При воздействии высокой температуры на поверхность полимера, он деструктирует до сложной смеси летучих углеводородов. Температура смеси газов повышается по мере ее приближения к фронту пламени . Кислород из окружающего воздуха диффундирует в эту смесь газов, и при достижении соответствующих условий концентрации и температуры, смесь вос­пламенятся. Пламя вновь поставляет энергию, необходимую для поверхност­ной термодеструкции полимера. Часть углеводородов претерпевает пиролиз в пространстве между поверхностью полимера и фронтом пламени в том случае, если их температура достаточно высока - до 1000°С, а концентрация кислорода еще довольно низка. Описанный механизм справедлив для всех полимеров только в начальной стадии горения. Термопласты при длительном тепловом воздействии пламени плавятся, растекаются, происходит объемный прогрев полимера до температуры пиролиза, из расплава интенсивно выделяются горючие газообразные продукты. В результате полимер либо полностью сгорает, либо остается негорючий жидкий или твердый остаток. На поверхности реактопластов в процессе горения образуется углистый слой, который изолирует массу полимера от радиационного воздействия пламени и препятствует выходу продуктов термической деструкции. Если образовавшийся углистый слой имеет толщину больше критической, и отсутствуют условия, способствующие его прогреву, растрескиванию либо выгоранию (внешний тепловой поток, аккумуляция тепла, приток окислителя), то горение может прекратиться. Выход летучих часто сопровождается диспергированием поверхности твердой фазы, и выносом последней в газовую фазу в виде частиц с горящей поверхностью, на которых в свою очередь интенсивно идет газовыделение, воспламенение и горение. В результате горения остается негорючий ми­неральный остаток либо кокс.

Только пористые материалы, которые образуют твёрдый углистый остаток при нагревании, могут самостоятельно поддерживать тлеющее горение. Сюда относится широкий спектр материалов растительного происхождения, таких, как бумага, целлюлозные ткани, опилки, слоистые плиты и латексная резина, а также некоторые термореактивные пластики в растянутом расстоянии. Материалы которые могут плавиться и претерпевать усадку под воздействием источника тепла, не будут обнаруживать рассматриваемый вид горения. Причину этого можно понять из рассмотрения механизма тления.

Можно установить три области горения, а именно:

Зона 1. Зона пиролиза, характеризующаяся резким подъёмом температуры, где происходит истечение видимых летучих продуктов из исходного материала;

Зона 2. Зона углистого остатка, где температура достигает максимума, и прекращается эволюция видимых продуктов пиролиза, и начинается накаливание:

Зона 3. Зона сильно пористого углистого остатка, где остаток больше не нагревается и температура медленно падает.

Выделение тепла происходит в зоне 2, где углистый остаток подвергается поверхностному окислению. Именно здесь температура достигает максимума (для тления в спокойном воздухе целлюлозных материалов максимум температур меняется от 600 до 750°С).Тепло из зоны 2 передаётся в область свежего горючего. Благодаря этому в зоне 1 наблюдается повышение температуры. Это приводит к термическому разложению горючего, в результате которого происходит выделение продуктов пиролиза и образование углистого остатка. Для большинства органических материалов реализация такого изменения требует температур выше 250-300 °С.

Летучие продукты термического разложения, которые вытесняются из зоны 1, не подвержены значительному окислению. Эти продукты пред­ставляют собой газообразное горючее, которое при пламенном горении сго­рает в форме факела. Они выделяются перед зоной активного горения и образуют весьма сложную смесь продуктов, включая жидкости с высокими температурами кипения и смолы, которые конденсируются в виде аэрозолей, что существенно отличает их от дыма, образующегося при пламенном горении. Если их собрать в замкнутый сосуд, то они способствовали бы образованию пожароопасной атмосферы. Судя по модели тления, описанной выше, при отсутствии способности материала сжиматься при воздействии источника тепла (зона 2) существенно уменьшается перенос тепла вперед. Если это уменьшение будет значительным, то в таком случае дальнейшее распространение тления будет невозможно. Отсюда следует интересный вывод о том, что тление может и наблюдаться и у горючих жидкостей при условии, что ими пропитаны жёсткие пористые материалы.

Горение разлитых жидкостей после воспламенения происходит через стадию ее испарения. Пары входят в зону пламени и реагируют с окислителем, выделяющаяся тепловая энергия прогревает поверхностный слой до температуры кипения. Скорость горения при этом максимальная. В процессе горения толщина прогретого слоя увеличивается. При горении смеси жидкостей в первую очередь выгорают компоненты, температура кипения которых ниже. Жидкости, как правило, сгорают полностью.

Горение газов регламентируется скоростью истечения из емкости, концентрацией окислителя и степенью гомогенности газовоздушной смеси. Так как при горении газов происходит прямое химическое взаимодействие горючего и окислителя, скорость горения очень велика, часто возможен взрыв.

По сути, копоть - это осевшая на ограждающих конструкциях помещения дисперсная фаза дыма, образующегося при пожаре. Задымленность помещений при пожаре и путей эвакуации является одним из опасных факторов пожара. Это выражается в снижении видимости, высокой концентрации отравляющих и канцерогенных веществ. Опасность дыма обусловила то пристальное внимание, которое уделяется исследованию свойств дыма, образующегося при горении различных материалов, а так же снижению дымообразующей способности применяемых конструкционных и отделочных полимеров.

Состав и свойства дыма

Дым - видимый продукт пожара. Он состоит из частичек сажи, частично сгоревшего горючего и капель жидкости. Вещество в этих фазах находится в конденсированном состоянии. Однако помимо дисперсной фазы в любом случае имеется и дисперсионная среда, в качестве которой служит смесь выделяющихся при горении газообразных веществ с воздухом.

В продолжении «времени жизни» количественное соотношение фаз дыма и их качественный состав непрерывно меняются в силу изменения на пожаре соотношения «окислитель/горючее» и внешних условий (температуры, давления, влажности, скорости аэрации и т.п.). Все это, вероятно, накладывает отпечаток на состав и свойства наслаивающейся на конструкции копоти.

Изменение условий горения (температуры, окислительной среды, давления, влажности) существенно влияет на дымообразование. Для поливинилхлорида (ПВХ), полистирола коэффициент дымообразования практически не зависит от содержания в среде кислорода, а для древесины и огнезащищённого полистирола становится выше при снижении концентрации кислорода в окружающей атмосфере. С увеличением температуры дымообразование древесины снижается, а полистирола и ПВХ увеличивается. Древесные материалы при тлении с увеличением плотности теплового потока выделяют возрастающее количество дыма, которое резко уменьшается при переходе к пламенному горению. Для ПВХ наблюдается обратная закономерность . При низких температурах разложения, до 600°С, в продуктах преобладают газообразные и жидкие (конденсированные) вещества. С повышением температуры пиролиза выход твердой фазы у отдельных полимеров увеличивается до нескольких десятков процентов.

Приведенные примеры не могут дать полных представлений о фазовом составе продуктов горения. Безусловно он определяется не только условиями разложения (горения), но и химической природой материала. Например, количество кислорода, необходимое для осуществления процесса горения, зависит от природы горючего. Для горения углеводородов, таких как бензин, требуется очень высокое содержание кислорода, примерно 3.5 кг на 1 кг горючего или 11м воздуха на 1горючего. Для горения 1 кг спирта требуется гораздо меньше кислорода, около 1.2 кг или 3.5 м³ воздуха количество кислорода, теоретически необходимое для горения других горючих веществ, находится в этих пределах. Практически при горении во время пожара расходуется кислорода (воздуха) значительно больше теоретически необходимого. Для иллюстрации сказанного ниже приводятся изложенные в литературе данные по фазовому составу продуктов, выделяемых при горении типичных материалов отделки помещений.